Промышленные контроллеры, системы диспетчерского управления

В статье представлен обзор промышленных контроллеров производства компании «Модульные Системы Торнадо». Промышленные контроллеры компании могут быть использованы для построения АСУТП, АСДУ, а также информационно-измерительных систем на промышленных объектах энергетики, нефтяной, газовой, химической промышленности, перерабатывающих отраслей, транспорта, коммунального хозяйства и других объектах.

Отмечены технические особенности контроллеров, проведена классификация с точки зрения их применения. Представлены возможные направления развития программно-технических средств компании МСТ.

О.В.Сердюков, А.И.Тимошин, С.А.Кулагин, Р.В. Нестуля, А.Н.Скворцов,
А.А.Дорошкин, И.В.Сорокин – Модульные Системы Торнадо

Промышленные контроллеры для автоматизации технологических процессов

Сегодняшнее поколение Программно-Технических комплексов «Торнадо» базируется на трех типах промышленных технологических контроллеров, которые позволяют создавать оптимельные комплексы различного информационного объема и назначения.

Комплексы создаваемые на базе промышленных технологических контроллеров МСТ являются полнофункциональным современным решением для построения современных систем управления технологическими процессами: АСУТП, АСДУ, информационно-измерительных систем на промышленных объектах энергетики, нефтяной, газовой, химической промышленности, перерабатывающих отраслей, транспорта и мн.др.

Все типы технологических контроллеров, разработанных компанией «Модульные Системы Торнадо», имеют 100% программную совместимость друг с другом и контроллерами других производителей, поддерживают единые стандарты и протоколы, используют одну и ту же операционную систему реального времени OS-9 и среду технологического программирования ISaGRAF. Это позволяет не только минимизировать затраты на разработки программ, сопровождение и сервис поставляемых на их основе ПТК, но и дает возможность масштабировать создаваемые ПТК по стоимости, компоновке, условиям эксплуатации, конструктивному исполнению и другим характеристикам, предоставляя тем самым Заказчику возможность оптимального выбора.

Архитектура контроллеров компании «Модульные Системы Торнадо»

Промышленные контроллеры создаваемые сегодня компанией «Модульные Системы Торнадо», имеют как распределенную, так и централизованную архитектуру. Поддержка этих архитектур обусловлена желанием сочетать преимущества каждой из них, для оптимального решения различных задач.

Централизованная архитектура контроллеров является наиболее распространенной и обладает наилучшими характеристиками по быстродействию, электромагнитной совместимости, высокими эксплуатационными характеристиками по вибро-ударопрочности, условиям окружающей среды, отличается компактностью и способностью к масштабированию и мн. др. Эта архитектура представлена контроллером MIC на базе высокопроизводительной параллельной шины CXC-bus.

Территориально распределенная архитектура также обладает рядом преимуществ, выгодно отличающих ее от централизованных магистрально-модульных систем: это более масштабируемая и гибкая архитектура, соответствие внедряемой системы географической компоновке автоматизируемого объекта, низкая стоимость и мн. др., но она заметно проигрывает централизованной архитектуре в производительности. Эта архитектура представлена контроллерами MIRage с распределенным вводов/выводом на основе сети RS485/Modbus либо CAN.

Третья архитектура, используемая для автоматизации наиболее сложных объектов, обеспечивает распределенную обработку в свободно программируемых автономных модулях интеллектуальных функций - MIF-модулях, территориальную распределённость и крейтовое исполнение, характерное для контроллеров с централизованной архитектурой. Взаимодействие интеллектуальных MIF-модулей осуществляется через построение двухранговых сетей на основе CAN-bus и Fast Ethernet. Эта архитектура представлена MIF контроллерами и запатентована компанией «Модульные Системы Торнадо».

Таким образом, оптимальным решением автоматизации сложных промышленных объектов является внедрение гибридных систем, сочетающих в себе достоинства магистрально-модульной и распределенной архитектур. Создание таких систем, на базе интеллектуальных средств автоматизации, является основным и традиционным направлением деятельности компании «Модульные Системы Торнадо».

Промышленные контроллеры компании Модульные Системы Торнадо

Микропроцессорную основу систем промышленной автоматизации, создаваемых МСТ, составляют контролеры следующих типов:
* контроллеры распределенной обработки информации и управления серии MIF на основе CAN-технологий;
* контроллеры серии MIC на основе CXC-технологии;
* серия MIRage - контроллеры распределенного ввода/вывода.


Промышленные контроллеры серии MIF

Интеллектуальные модули серии MIF являются основой для различных модификаций ПТК «Торнадо-М».

Для систем данного класса принципиальным является распределение функций обработки и управления по многим процессорным устройствам для обеспечения высокой степени декомпозиции системы, что обеспечивает ее высокую устойчивость, живучесть и надежность, а также легкость наладки функционирования системы и объекта.

Функции ввода/вывода в таких системах тесно связаны с процессорными модулями обработки и управления – УСО располагаются непосредственно на процессорных MIF-модулях. Между тем, даже в таких жестко связанных системах, требующих высокой скорости сбора и обработки данных, существует возможность оптимизации структуры системы в части организации ввода информации в систему от температурных датчиков термопар и термометров-сопротивлений с использованием технологии распределенного ввода/вывода. Высокая инертность температурных измерений позволяет производить опрос с характерным периодом 1-2 секунды, поэтому невысокие скорости опроса, характерные для контроллеров распределенного ввода/вывода, не являются критичными для температурных измерений. В то же время возможность установки измерительных модулей максимально близко к точкам измерений дает существенную экономию дорогостоящего кабеля, повышает точность измерений и упрощает эксплуатацию и обслуживание АСУТП.

MIF-контроллер состоит из одного или двух крейтов, которые содержат до 15 или 30 MIF-модулей. Для обеспечения взаимодействия MIF-модулей с другими контроллерами MIF-контроллер имеет один или два сетевых шлюза в «цеховую» сеть, реализуемую на Fast Ethernet. Архитектура контроллера обеспечивает пропорциональный числу установленных в системе MIF-модулей рост производительности не только системы, но и коммуникационной среды.

Конструктивно MIF-модуль выполнен в стандарте «Евромеханика» 6U и имеет некоторые особенности:

- системная магистраль MIF-контроллера располагается в верхней части разъема Р1. Нижняя половина этого разъема и разъем Р2, находящиеся на задней стороне модуля, используется для подключения сигналов ввода/вывода к трем мезонинным модулям ввода/вывода ModPack.
- на системной магистрали расположены сигнальные линии двух интерфейсов CAN, линии питания +5 В, +5 В батарейное, +12 В и –12 В, и географический адрес позиции модуля в контроллере.

Различные модификации интеллектуальных MIF-модулей имеют свои отличительные особенности, ориентированные на выполнение специализированных задач автоматизации, именно поэтому MIF контроллеры традиционно используются для создания наиболее мощных ПТК «Торнадо», используемых на крупных ответственных объектах, например энергоблоках, котлах и турбинах ТЭЦ.

В модуле MIF-360 используется только один канал SCC1, обеспечивающий поддержку практически любого из стандартных протоколов вплоть до Ethernet и одного канала SMC1 для организации консольного порта, выведенного на фронт-панель. Таким образом, четыре из шести последовательных канала процессора MC68360 не используются. Специалисты компании учли часто возникающую необходимость в организации в системах большого числа последовательных каналов (например, RS-485 для подключения счетчиков в системах АСКУЭ или устройств распределенного ввода-вывода идр.) без дополнительных затрат, используя для этого оставшиеся незадействованными последовательные каналы SCC микропроцессора MC68360. Основные сигналы приемника и передатчика последовательных портов SCC были выведены на четыре контакта «user define» шины мезонинного стандарта ModPack. Таким образом, реализована организация трех высокоскоростных (до 2Мбод) каналов, контакты которых выведены на тыльные разъемы модуля.

Также, в модуле MIF-360, использованы компоненты, позволившие значительно увеличить объем памяти, частоту процессора и снизить потребляемую мощность, при этом добиться снижения себестоимости и сделав модуль более доступным по ценовым характеристикам.

Модификацию MIF-PPC, созданную на основе процессора PowerPC860T отличает использование самых современных технологий и улучшенные в десятки раз, по сравнению с MIF-360, технические характеристики (производительность, скорость обработки и др.).

Данная модификация интеллектуального MIF-модуля предназначена для использования в составе систем управления сложными неоднородными объектами класса энергоблоков, котлов, турбин ТЭС и АЭС.

Модуль может использоваться как центральный процессор, выполняющий сбор, управление, обработку информации, а также ввод-вывод информации. Процессорный модуль MIF-PPC основан на коммуникационном микроконтроллере нового поколения фирмы Motorola PPC860Т на базе суперскалярного RISС процессора PowerPC, обладающего высокой производительностью около 100 MIPS, встроенным коммуникационным сопроцессором PowerQUICC и встроенным контроллером FastEthernet. Производительность MIF-PPC на PPC860Т увеличена, по сравнению с модулем MIF-360, в 18 раз.

Модуль MIF-PPC может также использоваться для совместной многопроцессорной обработки в распределенных системах управления. Синхронизация с другими процессорами может осуществляться через коммуникационные порты связи. Наличие стандартной для MIF модулей локальной "мезонинной" шины ModPack позволяет установить непосредственно на модуль MIF-PPC три мезонинных устройства для ввода/вывода или других системных функций. Модуль оснащен также двумя портами сети CAN-bus. Кроме того, аналогично модификации MIF-360, последовательные порты PowerQUICC, выведены на разъемы мезонинов ModPack.

Все модификации контроллеров серии MIF обладают характерными особенностями:
* архитектура и структура контроллеров серии MIF идентичны;
* конструктивное исполнение контроллеров в стандарте «Евромеханика 6U»;
* внутренняя магистраль обмена данными основана на дублированной сети CAN-bus;
* интерфейсы взаимодействия модуля основаны на стандартах Ethernet-100, RS-485/ 232;
* контроллеры обладают 100% - ой программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIC и MIRage;
* реализована горячая замена модуля без отключения питания;
* отсутствует принудительное охлаждение.

Дальнейшее развитие контроллеров серии MIF будет направлено на увеличение коммуникационных возможностей, обеспечение связи с интеллектуальными устройствами, датчиками и модулями распределенного ввода-вывода по цифровым каналам связи, а также на повышение вычислительных возможностей модуля.


Промышленные контроллеры серии MIC

Интеллектуальный контроллер серии MIC является современным решением комплексной автоматизации территориально-распределенных объектов электроэнергетики (модификация ТМ), тепловых сетей, а также малых объектов (архитектура и коммуникационные возможности MIC-контроллеров позволяют создавать как локальные автономные, так и распределенные системы управления с объемом ввода-вывода от 50 до нескольких тысяч каналов).

Интеллектуальный контроллер MIC разработан специально для применения в системах сбора данных и управления на объектах промышленного производства с повышенными требованиями к надежности функционирования. Его использование возможно в качестве элемента построения АСУТП любой сложности из управляющих систем реального времени управляющего небольшими объектами или технологическими участками, объединенных сетью Ethernet.

Контроллер серии MIС, как и другие контроллеры компании, также сочетает в себе высокие вычислительные возможности, низкое энергопотребление и разнообразные коммуникационные функции.

Контроллер состоит из процессорного модуля MIC-860 и модулей носителей MIC-CB, устанавливаемых в крейте стандарта 3U (помимо них, в крейт могут быть установлены и другие модули с шиной CXC). Межмодульный обмен данными производится по параллельной шине CXC-bus.

Основой процессорного модуля является 32-разрядный микроконтроллер MPC860, включая встроенный стандартный коммуникационный сопроцессор Power QUUIC и контролер быстрого Ethernet (FEC), обеспечивающие 6 универсальных коммуникационных канала. Развитая подсистема памяти модуля MIC-860 позволяет разместить операционную систему реального времени, приложения пользователя (приложения могут быть на инженерных языках в соответствии со стандартом IEC1131-3 и на универсальных языках программирования), или осуществить загрузку любой операционной системы, доступной для PowerPC. Для подключения к измерительному или управляющему оборудованию модули-носители MIC-CB имеют разъемы для установки мезонинных субмодулей ввода/вывода стандарта ModPack. Полевые интерфейсы подключаются к мезонинным субмодулям ModPack через разъемы, находящиеся на передней стороне MIC-CB. Для каждого субмодуля отводится половина переднего 50-контактного разъема, который позволяет посредством шлейф-кабеля подключаться к внешним устройствам.

Все модификации контроллеров серии MIC обладают характерными особенностями:
* конструктивное исполнение контроллеров в стандарте ««Евромеханика 3U»;
* внутренняя магистраль обмена данными основана на асинхронной 16-ти разрядной шине CXC-bus;
* интерфейсы взаимодействия модуля основаны на стандартах Ethernet-100, RS-485/232, свободно программируемые последовательные порты;
* контроллеры обладают 100% - ой программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIF и MIRage;
* отсутствует принудительное охлаждение.

Специалисты компании Модульные Системы Торнадо продолжают работы по разработке новых контроллерных устройств на основе шины CXC. Дальнейшее развитие направлено на создание новых компонент являющихся продолжением и развитием уже существующих решений, а также на разработку новых современных средств автоматизации, позволяющих охватить более широкий спектр функций и увеличить надежность создаваемых систем, оставаясь при этом привлекательным в инвестиционном плане решением.

Промышленные контроллеры серии MIRage

Промышленные контроллеры серии MIRage предназначены для управления процессами, характеризующимися размещением основного оборудования на значительных расстояниях друг от друга, в составе «гибридных» АСУТП крупных промышленных объектов, а также в качестве самостоятельных автономных контроллеров или локальных систем сбора и обработки информации.

При разработке контроллеров «MIRage» особое внимание было уделено повышению надежности, скорости опроса, доступности и простоты в использовании. Модули распределенного ввода/вывода MIRage имеют дублированные коммуникации, что обеспечивает устойчивость сетевого обмена к единичному отказу, и значительно повышают надежность создаваемых систем.

Базовая модификация контроллеров поддерживает связь по интерфейсу RS-485 с протоколом Modbus со скоростью передачи 38400 бод. Применение RS-485 с протоколом Modbus для коммуникаций обеспечивает высокую доступность и простоту в использовании, а частота передачи в 38400 бод, обеспечивает достаточно высокую протяженность сетевых связей – более 1200 м.

Для приложений, требующих высоких скоростей обмена существует модификации с дублированный сетью CAN-bus.

Сегодня серия «MIRage» включает более десяти модификаций промышленных контроллеров распределенного ввода-вывода. Среди них уже зарекомендовавшие себя специализированные контроллеры для измерения температур (модификации «FTHERM» и «FPT»), для ввода и измерения сигналов тока и напряжения с датчиков (модификация «FAI»), для дискретного ввода/вывода (модификация «FDIO»), для управления исполнительными механизмами высоковольтных выключателей (модификация «ТМ») и др.

Все модификации контроллеров серии MIRage обладают характерными особенностями:
* конструктивное исполнение контроллеров - установка на DIN-рейку;
* протокол обмена данными ModBus (для RS-485) ;
* интерфейсы взаимодействия модуля дублированные RS-485 или CAN (с гальванической развязкой 1 кВ);
* контроллеры обладают 100% - ой программной совместимостью с системами VME, Smart, IUC, MIC и MIF;
* горячая замена контроллеров без отключения питания;
* отсутствует принудительное охлаждение.

Развитие промышленных контроллеров серии «MIRage» направлено на создание оптимизированных комплексных гибридных структур с полнофункциональным использованием контроллеров распределенного ввода/вывода серии «MIRage». Специалисты компании планируют расширение номенклатурного ряда контроллеров «MIRage». Планируется выпуск новой серии контроллеров распределенного ввода/вывода на основе дублированного Fast Ethernet.

Обладая значительным опытом в области разработки процессорных модулей, мезонинных модулей ввода-вывода, различных устройств сопряжения контроллера с объектом, компания Модульные Системы Торнадо предлагают пользователям широкий номенклатурный ряд оборудования, обеспечивающий оптимальное решение полного спектра задач промышленной автоматизации.

Краткий обзор PLC Siemens
В зависимости от степени сложности решаемых задач в программируемом контроллере могут использоваться до 7 типов центральных процессоров При необходимости можно использовать мультипроцессорные конфигурации, включающие до 4 центральных процессоров